沉管护脚结合无砂混凝土护坡在河道护岸中的应用

黄岳文，王立华

(1.广州市水务工程建设管理中心，广州 510640；2.广东省水利水电科学研究院，广州 510635；3.广东省水利新材料与结构工程技术研究中心，广州 510635)

0　引　言

传统水利工程主要关注防洪安全、生产、生活用水的保障及水力发电等方面。建国以来，我国的水利建设事业有了突飞猛进的发展，在防洪、灌溉、供水、发电等各方面取得了惊人的成绩。但与此同时，人们发现，人类活动对自然水系的干扰严重：水系污染、江河断流、生态环境恶化等等。有识之士开始对传统水利工程的单一功能进行反思，对传统的河道治理模式进行批判[1]，开始关注水环境、水利景观和水文化[2]，注意到传统水利工程对河流生态系统的胁迫[3]，提出生态水工学的概念[4,5]。在工程设计上强调生态设计，即与生态过程相协调，尽量使其对环境的影响达到最小，这种协调意味着设计尊重物种多样性，减少对资源的剥夺，保持营养和水循环，维持植物生境和动物栖息地的质量，以有助于改善人居环境和生态系统的健康[6]。新的水利建设理念要求水利工作者在进行河道整治时不仅要考虑水利工程的安全要求，还要考虑人们对河流的景观性、亲水性等方面的要求，更要考虑到生态性的要求，甚至更进一步提出对河流进行生态修复，以使河流恢复因人类活动的干扰而丧失或退化的自然功能[7]。传统硬质型护岸结构简单，材质坚硬，颜色灰暗，虽然在一定时期内对稳定河道、防洪排涝、防止水土流失等方面发挥了巨大的作用，但其人工痕迹太过明显，与当前人类“回归自然、反璞归真”的观念相违背，同时也给生态环境带来许多不利的影响。因此，近年来开发和应用兼具有生态保护、资源可持续利用、工程安全等需求的生态护岸工程技术，已成为河道整治工程的新模式[8]。生态护岸在水陆生态系统之间架起了一道桥梁，对两者间的物流、能流、生物流发挥着廊道、过滤器和天然屏障的功能。在治理水土污染、控制水土流失、加固堤岸、增加动植物种类、提高生态系统生产力、调节微气候和美化环境等方面都有着巨大的作用[9]。本文介绍的沉管护脚结合现浇无砂混凝土护坡技术正是这样的一种生态护岸技术，具有施工简便、缩短工期、降低造价、生态性和安全性良好等许多优点。

1　技术简介

1.1　护岸分区防护

根据水位变化情况，河岸一般可划分为三个区域，即死水区、水位变动区和无水区。在进行生态护岸设计时应根据不同区域的水动力学特征选择相应的护岸形式。通常只对死水区、水位变动区考虑采用必要的工程措施，而河岸上部无水区一般可考虑植物护坡。

死水区常年浸泡在水下，护脚结构型式可根据地质地形条件具体选择，应能适应一定的变形，同时从生态方面考虑，还应充分照顾到水生动物的生存要求。对于软土地区河道整治工程，可选用施工方便的沉管护脚；沉管内可以填土种植水生植物以改善河道生态景观。水位变动区自然土坡容易受水流冲刷，通船河段还受船行波冲刷，造成水土流失及岸坡崩塌，需要采用护坡工程措施。现浇无砂混凝土护坡技术(预留孔洞)是生态性比较好、投资比较节省同时又能满足传统防护功能的设计方案[10]。

1.2　护岸工程设计

图1是某工程沉管护脚结合现浇无砂混凝土护坡设计断面图。当岸坡土为黏性土时，无砂混凝土护坡与被保护的岸坡土之间无需设置反滤；当岸坡土为砂性土时，护坡与被保护的岸坡土之间建议设置土工布反滤。图2为沉管护脚结合现浇无砂混凝土护坡俯视图。

图1　沉管护脚结合无砂混凝土护坡断面图(单位：mm)Fig.1 Design section of ecological revetment

护脚沉管采用强度等级不小于C30的预制钢筋混凝土管，管径及长度可根据工程实际需要确定，一般可采用市场上常用的内径80 cm、外径94 cm、长2 m的预制钢筋混凝土管。可根据被保护土的抗冲性及水流流态确定是否需要在沉管接缝处进行反滤处理。现浇无砂混凝土设计指标可根据设计对象具体确定，无砂混凝土的孔隙率越大强度越低，具体配合比一般根据工程实验确定。按一般工程经验，现浇无砂混凝土厚度一般可取15～20 cm，无砂混凝土现场浇筑施工参考配合比：粒径为20～40 mm的花岗岩碎石(干燥状态)：1 620 kg/m3；水泥：240 kg/m3；水：84 kg/m3；要求达到的设计强度：28 d抗压强度≥5.6 MPa，28 d抗折强度≥1.2 MPa。人工预留孔孔径5 cm，与现浇混凝土框格成45°斜向排列布置(如图2 所示)，行距与列距均为20 cm。为了让草更快更好地生长，一般可在无砂混凝土上铺一层厚约5 cm的种植土。

图2　沉管护脚结合现浇无砂混凝土护坡俯视图Fig.2 Top view of ecological revetment　　1-预制的钢筋混凝土沉管，用于河岸护脚；2-预制的钢筋混凝土插条，结合土工布用于防止沉管间漏土；3-现浇的普通混凝土框格；4-现浇无砂混凝土护坡；5-预留的较大孔洞，以方便螃蜞等两栖类小动物筑巢。

1.3　护岸工程施工

如图3所示，沉管护脚可以水下施工，利用低水位直接利用挖掘机(勾机)把预制钢筋混凝土管铅直压入岸坡下部成为护脚，施工质量容易控制，施工方便。在沉管护脚施工完毕后进行整坡，接着现浇无砂混凝土，再在无砂混凝土表面铺一层厚约5 cm的种植土种草护坡。为了避免大面积无砂混凝土护坡因强度较低出现折断破坏，可预先浇注好普通混凝土框格，再在框格内浇筑无砂混凝土。现浇无砂混凝土的主要施工过程如图4所示。

图3　护脚沉管施工Fig.3 Construction of toe protection with immersed tube

图4　无砂混凝土护坡施工Fig.4 Construction of no-fines concrete slope protection

2　技术优势

2.1　施工简单

由前面施工过程介绍可知，沉管护脚结合现浇无砂混凝土护坡，施工简单方便，施工质量一目了然。

2.2　工程造价较低

根据笔者经验，一般情况下生态护岸造价比传统圬工护岸造价低，如赤岗涌整治二期工程生态护岸设计的造价比传统护岸方案造价的1/3还低[11]。与传统C25混凝土护岸相比，无砂混凝土节省水泥80 kg/m3、节省砂700 kg/m3，可节省原材料投资92 元/m3，经济效益显著。

2.3　生态性好

护岸工程生态性的表现不应仅是能长草，还应充分考虑到动物的生存环境特别是两栖类动物的生存繁殖。护脚沉管内可填土种植水生植物，沉管内及沉管间的空隙可为水生动物提供生存空间。无砂混凝土的大孔隙充填土后适合植物生长；人工预留的较大孔洞适合作为螃蜞等两栖类小动物的巢穴。

2.4　安全可靠

沉管护脚具有好的抗冲刷能力，而且可以根据估算的冲刷深度进行埋深设计，保证护脚结构的抗冲安全性。沉管护脚通常设计入土深度在1/2管长以上，在没有发生较大冲刷情况下，沉管护脚的结构稳定性较好，护坡结构不会发生滑动破坏，此时决定护岸结构安全的是岸坡的整体稳定。研究表明，天然状态下的浅草护坡抗冲流速为1 m/s，而无砂混凝土护坡的抗冲流速可达4 m/s[12]。无砂混凝土护坡在一定流速范围内，可对岸坡土体进行有效防护，避免岸坡的冲刷与坍塌。

3　工程案例

3.1　广州市海珠区灜洲生态公园河道整治工程

本工程是首个采用沉管护脚结合现浇无砂混凝土护坡技术的河道整治工程，工程具体设计见文献[13]。为了进行对比研究，部分河面较宽河段采用散抛石护脚；小部分河段水位变动区铺开孔式护土砖。工程于2002年7月开工，2003年8月主体工程建成投产。

沉管和抛石护脚比较：两者均具有适应一定变形、生态性较好、投资较省的优点，其中沉管护脚的造价较抛石护脚稍贵，但沉管护脚具有如下优点：①护脚稳定性好。根据完工15 a的观察，沉管护脚没有产生明显变位，而抛石护脚则在完工1 a就发生一处塌脚。②沉管施工质量容易控制。而散抛石护脚施工质量较难控制，容易出现少挖少抛的情况。③低水位时沉管护脚的视觉效果明显好于散抛石护脚，如图5所示。

图5　抛石护脚与沉管护脚效果比较Fig.5 Comparison of riprap toe protection and immersed tube toe protection

护土砖和无砂混凝土比较：护土砖强度优于无砂混凝土，但造价略高于无砂混凝土；在工程早期和冬季护坡植被枯萎时，无砂混凝土护坡因面粗糙容易留住回淤泥土而更为自然，近于自然土坡，植物更容易生长，生态性更好。

3.2　三西涌整治工程

三西涌整治工程也采用沉管护脚结合现浇无砂混凝土护坡技术，具体设计见文献[14]。工程于2003年12月开工，2004年8月完成主体工程。2002年进行海珠区灜洲生态公园河道整治工程时通过适生草种筛选试验选用河岸边坡生态治理植物，后期的观察发现，唯有本土植物才能更好地适应当地环境条件。因此在三西涌整治工程中水陆交错带水生植物品种的选择首选是本土植物：护脚沉管种植从临近河滩地移植过来的咸水草一直生长得很茂盛；坡面也不直接种草，而是施工时先把工程表土挖好放在一边，等修坡后再在坡面上铺一层约5 cm厚的表土，一个月后表土中含有的草籽就开始发芽成长，两三个月后坡面就基本都长满本土植物[14]。图6是在主体工程完工半年后回访拍摄的相片，河岸坡植被生长良好，且种类繁多，形成较好的景观效果；还可见到蚂蚁、蜘蛛、蜥蜴等小动物活动，一片生机盎然。

图6　三西涌整治效果Fig.6 Remediation effect of Sanxi canal

3.3　蕉门河整治工程

蕉门河是广州南沙新城区的中轴线。在蕉门河中心休闲区设计有游艇码头，考虑到该段河宽较窄，为了避免船行波对河岸的冲刷破坏，同时又考虑生态景观的要求，设计在水位变动区采用现浇无砂混凝土护坡，而护脚结构则根据地质条件分别采用沉管护脚或空心混凝土块护脚(土层存在块石障碍无法采用沉管护脚时)。护岸工程于2003年底施工完毕，不再在无砂混凝土表面敷土和人工播种，以观察在此种情况下无砂混凝土的植物生长情况。如图7所示，在无砂混凝土浇筑后的早期，由于没有上覆土，植被生长情况不理想，但随着时间的推移，土壤在无砂混凝土上自然淤积，随风飘落的种子生长的植物越来越多，同时临近的植被也开始逐渐往无砂混凝土坡面蔓长，几年后整个坡面都自然长满植被。

图7　无砂混凝土护坡随时间推移植物生长情况Fig.7 Plant growth of no-fines concrete slope with time

4　结　语

通常认为水泥等胶凝材料水化时会产生Ca(OH)2，其pH值高达12以上，在这样的碱性环境下植物难以生长，必须采取措施中和这样的碱性环境以满足植物生长需要[15]。但笔者认为，影响植物生长的是无砂混凝土大孔隙内的土壤环境条件，而混凝土毛细孔的碱性环境对植物生长影响不大。湿热的环境加速无砂混凝土表层的碳化，同时随着水位交替变动或雨水冲刷，无砂混凝土大孔隙内的碱性有效降低到适合植物生长[16]。工程实践表明，华南地区河流无砂混凝土护坡不需要专门采取措施降低碱度也能满足植物生长需要。

河道的生态护岸建设是河道生态治理的一个重要内容，在进行生态护岸建设时应充分考虑到生物多样性的要求，同时应根据不同区域水位变化情况进行分区设计。对于软土地区的河道生态整治工程，沉管护脚工艺简单，施工质量容易控制；沉管内可填土种水生植物，沉管内及沉管间的空隙可为水生动物提供生存空间。现浇无砂混凝土生态性较好、投资较省同时又能满足传统防护功能；人工预留孔方便两栖类小动物修筑巢穴；可在坡面铺一层约5 cm厚的原有场地的表土，表土中含有各种本土植被的草籽，这样自然生长的岸坡生态性更好，而且可以实现零维护。

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参考文献：

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